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TWI756301B - 光感測元件及其形成方法 - Google Patents

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TWI756301B
TWI756301B TW106140094A TW106140094A TWI756301B TW I756301 B TWI756301 B TW I756301B TW 106140094 A TW106140094 A TW 106140094A TW 106140094 A TW106140094 A TW 106140094A TW I756301 B TWI756301 B TW I756301B
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light
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forming
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鄭允瑋
周俊豪
李國政
黃薰瑩
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

本發明實施例提供光感測元件及其形成方法，光感測元件包括半導體基板及位於半導體基板中的光感測區域。光感測元件亦包括位於半導體基板之上的光反射零件。光感測區域介於光反射零件及半導體基板之光接收表面之間。光反射零件包括多對介電層之堆疊，每一對介電層具有第一介電層及第二介電層，且第一介電層具有與第二介電層不同的折射率。

Description

光感測元件及其形成方法
本發明實施例係有關於一種半導體裝置，且特別有關於一種光感測元件。
半導體積體電路(integrated circuit，IC)經歷了快速成長。積體電路材料及設計的技術進步產生了積體電路世代，每一世代具有比上一世代更小且更複雜的電路。
在積體電路演進的進程中，功能密度(亦即每一晶片面積中的內連元件數目)普遍增加了，此時幾何尺寸(亦即使用製造製程所能創造的最小組件(或線))已縮小。這樣尺寸微縮化的製程普遍提供了好處，可增加生產效率並降低相關成本。
隨著幾何尺寸微縮化所帶來的好處，直接改善了積體電路元件。其中一個這樣的積體電路元件為光感測元件。需要形成具有改善效能及可靠度的光感測元件。
本發明實施例提供一種光感測元件，包括半導體基板及位於半導體基板中的光感測區域。光感測元件亦包括位於半導體基板之上的光反射零件。光感測區域介於光反射零件及半導體基板之光接收表面之間。光反射零件包括多對介電層 之堆疊，每一對介電層具有第一介電層及第二介電層，且第一介電層具有與第二介電層不同的折射率。
10:光感測元件
100:半導體基板
100a:前表面
100b:背表面
101:像素區域
102:介電層
104:隔離區域
106:光感測區域
107:附著層
108:隔離結構
109:載體基板
110:傳輸電晶體
112:重置電晶體
114:源極隨耦電晶體
116:選擇電晶體
118A、118B、120:摻雜區域
131:導電特徵
302A、302B、302C、302D、302E、302F、302G、302H:介電層
303A、303B、303C:界面
304:光反射零件
304S:表面
306:內連線結構
308:反射柵
310:介電層
312A、312B:過濾零件
314:透鏡零件
362:抗反射層
364:緩衝層
402:閘極堆疊
404:閘極介電層
406:閘極電極
408:間隔物零件
410A、410B:導電接點
411A、411B:頂表面
412:導電線
C1、C2、C3、Cx:欄
R1、R2、R3、RY:列
I-I:線段
以下將配合所附圖式詳述本發明實施例。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，可能任意地放大或縮小元件的尺寸，以清楚地表現出本發明實施例的特徵。
第1圖係根據一些實施例繪示出光感測元件的上視圖。
第2圖係根據一些實施例繪示出光感測元件之像素區域的上視圖。
第3A-3I圖係根據一些實施例繪示出形成光感測元件不同製程階段的剖面圖。
第4A-4E圖為形成光感測元件不同製程階段的剖面圖。
第5圖係根據一些實施例繪示出光反射零件的剖面圖。
以下公開許多不同的實施方法或是例子來實行本發明實施例之不同特徵，以下描述具體的元件及其排列的實施例以闡述本發明實施例。當然這些實施例僅用以例示，且不該以此限定本發明實施例的範圍。例如，在說明書中提到第一特徵形成於第二特徵之上，其包括第一特徵與第二特徵是直接接觸的實施例，另外也包括於第一特徵與第二特徵之間另外有其他特徵的實施例，亦即，第一特徵與第二特徵並非直接接觸。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示，這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明實施例，不代表所討論的不同實 施例及/或結構之間有特定的關係。
此外，其中可能用到與空間相關用詞，例如「在...下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，這些空間相關用詞係為了便於描述圖示中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係，這些空間相關用詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時(旋轉90度或其他方位)，則其中所使用的空間相關形容詞也將依轉向後的方位來解釋。
於此描述本發明一些實施例。可於這些實施例所述的階段之前、之中、及/或之後提供額外的操作。在不同實施例中，可替換或刪除一些所述的階段。半導體元件結構可加入額外的特徵。在不同實施例中，可替換或刪除一些特徵。雖然所述的一些實施例中以特定順序進行操作，這些操作可以其他合邏輯的順序進行。
第1圖係根據一些實施例繪示出光感測元件10的上視圖。光感測元件10可為背照式(backside illuminated，BSI)影像感測元件。然而，應理解的是，本發明實施例並不限於背照式影像感測元件。在一些實施例中，光感測元件10為前照式(front side illuminated，FSI)影像感測元件。在一些其他實施例中，光感測元件10係用以感測不可見光(亦即在可見光譜之外的光)。
在一些實施例中，光感測元件10包括像素區域101之陣列。像素區域101可排列為欄(例如C1至CX)與列(例如R1至RY)。用語「像素區域」係指包括如光偵測器及各種電路特徵 之單位單元。單位單元可包括各種半導體元件以將電磁輻射轉換成電子信號。像素區域101中的光偵測器(或光感測區域)可包括光二極體、互補式金屬氧化物半導體(complimentary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測器、電荷耦合元件(charged coupling device，CCD)感測器、主動感測器、被動感測器、一或多種其他適合的感測器、或上述之組合。
像素區域101可設計為具有單一感測器類型。或者，像素區域101可設計為具有不同感測器類型。一組像素區域101可為互補式金屬氧化物半導體影像感測器，而另一組像素區域101可為其他類型的感測器，例如被動感測器。在一些實施例中，每一像素區域101包括光偵測器，例如光閘型(photogate-type)光偵測器，以紀錄光(輻射)強度或亮度。每一像素區域101亦包括不同半導體元件，例如不同電晶體。
可在光感測元件10的周圍(peripheral)區域或其他合適的區域形成額外的電路、輸入、及/或輸出，並與像素區域101耦合。舉例而言，周圍區域的電路提供像素區域101的操作環境，並支援與像素區域101通訊。
第2圖係根據一些實施例繪示出光感測元件10之一像素區域101的上視圖。如第2圖所繪示，像素區域101包括光感測區域106。在一些實施例中，光感測區域106用以偵測光(輻射)的強度或亮度。像素區域101可包括不同的電晶體。舉例而言，電晶體包括傳輸電晶體(transfer transistor)110、重置電晶體(reset transistor)112、源極隨耦電晶體(source-follower transistor)114、選擇電晶體(select transistor)116、一或多種其 他合適的電晶體、或上述之組合。
像素區域101亦可於半導體基板中包括各種摻雜區域，例如摻雜區域118A、118B、及120。摻雜區域118A、118B、及120作為上述電晶體的源極/汲極區域。在一些實施例中，摻雜區域120亦被稱為浮動擴散區域。摻雜區域120位於傳輸電晶體110及重置電晶體112之間，且為傳輸電晶體110及重置電晶體112的源極/汲極區域之一。在一些實施例中，導電特徵131與源極隨耦電晶體114閘極堆疊之一部份重疊，且連接至摻雜區域120。
光感測元件10亦可包括於半導體基板中形成不同的隔離結構108以隔離半導體基板不同的區域。隔離結構108防止不同區域之間的漏電流。在一些實施例中，隔離結構108包括介電隔離結構。可使用淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)技術、深溝槽隔離技術(deep trench isolation，DTI)、一或多種其他合適的技術、或上述之組合形成介電隔離結構。
在一些實施例中，隔離結構108可包括以佈植技術或擴散技術形成的摻雜隔離結構。在一些實施例中，在像素區域101中形成隔離結構108以隔離光感測區域106、傳輸電晶體110、重置電晶體112、源極隨耦電晶體114、及選擇電晶體116。
在一些實施例中，光感測元件10更包括位於半導體基板背表面上的濾色器(color filter)及透鏡。濾色器及透鏡可與光感測區域106對齊。透鏡用於導引或聚焦入射光。濾色器係設計使過濾通過的光為特定波段。舉例而言，濾色器可過 濾通過可見光之紅色波段、綠色波段、藍色波段、或近紅外波段至光感測區域106。
根據一些實施例，在光感測元件10的操作中，光感測元件10係設計以接收朝光感測元件10半導體基板之背表面前進的輻射。位於半導體基板之背表面上的透鏡導引入射輻射至半導體基板中相應的光感測區域106。入射輻射可產生電子-電洞對。當暴露於入射輻射時，光感測區域106累積電子以響應入射輻射。電洞可能被導體基板之背表面上的摻雜層捕捉，以避免電子與電洞重組(recombination)。
當傳輸電晶體110打開時，電子從光感測區域106轉移至摻雜區域120。透過導電特徵131連接，源極隨耦電晶體114可將摻雜區域120的電子轉換為電壓訊號。選擇電晶體116可允許讀出電子(read-out electronics)讀取像素陣列的單行(或單欄)。重置電晶體112可作為重置摻雜區域120的開關。當重置電晶體112打開時，摻雜區域120連接至電源以清除所有累積的電子。
值得注意的是，本發明實施例並不限於第1或2圖所繪示之光感測元件10。在一些其他實施例中，光感測元件10包括不同的配置。
第3A-3I圖係根據一些實施例繪示出形成光感測元件製程不同階段的剖面圖。參見第3A圖，接收了或提供了半導體基板100。半導體基板100具前表面100a及背表面100b。前表面100a與背表面100b相對設置。在一些實施例中，定義半導體基板100以表示包括一或多種半導體材料的構造。在一些實施 例中，半導體基板100包括半導體晶圓(例如矽晶圓)，或半導體晶圓的一部分。在一些實施例中，半導體基板100包括單晶體、多晶體、或非晶質結構的元素半導體材料。元素半導體材料可包括矽、鍺、或其他合適的材料。
在一些其他實施例中，半導體基板100包括化合物半導體例如碳化矽(silicon carbide)、砷化鎵(gallium arsenide)、磷化鎵(gallium phosphide)、磷化銦(indium phosphide)、砷化銦(indium arsenide)，合金半導體例如SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInAsP、一或多種其他合適的材料、或上述之組合。
在一些實施例中，半導體基板100包括多層半導體、絕緣體覆半導體(semiconductor on insulator，SOI)(例如絕緣體覆矽或絕緣體覆鍺)、或上述之組合。在一些實施例中，半導體基板100為晶片，例如包括光感測元件的晶片。
根據一些實施例，如第3A圖所示，半導體基板100包括一或多個隔離結構108。隔離結構108可定義及/或隔離各種形成於半導體基板100之中的元件零件。隔離結構108包括淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)特徵、深溝槽隔離(deep trench isolation，DTI)特徵、氧局部矽化(local oxidation of silicon)特徵、其他合適的隔離結構、或上述之組合。
在一些實施例中，隔離結構108以氧化矽(silicon oxide)、氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、氟摻雜矽酸鹽玻璃(fluoride-doped silicate glass，FSG)、低介電常數材料、一或多種其他合適的材料、或上述之組合形成。 在一些實施例中，隔離結構108的形成包括以光微影製程圖案化半導體基板100，於半導體基板100中蝕刻凹部(recess)例如溝槽，且以一或多種介電材料填充凹部。在一些實施例中，填充的凹部具有多層結構，例如以氮化矽或氧化矽填充的熱氧化襯層。
形成於半導體基板100中的各種元件零件例如包括電晶體(如金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistors，MOSFET)、互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)電晶體、雙極性接面電晶體(bipolar junction transistors，BJT)、高壓電晶體、高頻電晶體、p通道及/或n通道場效電晶體(PFETs/NFETs)等)、二極體、其他合適的零件、或上述之組合。
在一些實施例中，類似於第2圖所繪示之實施例，各種元件零件包括傳輸電晶體110、重置電晶體112、源極隨耦電晶體114、選擇電晶體116、一或多種其他合適的元件零件、或上述之組合。進行不同製程以形成不同元件零件，其包括例如沉積、光微影、蝕刻、佈植、退火、平坦化、及/或其他合適的製程。
根據一些實施例，如第3A圖所繪示，在半導體基板100中形成多個光感測區域106。在一些實施例中，每一光感測區域106包括多個摻雜區域，例如n型摻雜區域及p型摻雜區域。如第3A圖所示，隔離結構108分隔鄰近的光感測區域106。在一些實施例中，每一光感測區域106以離子佈質製程、擴散 製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合形成。
根據一些實施例，如第3A圖所繪示，隔離區域104形成於半導體基板100之中。隔離區域104可用於電性分離鄰近的光感測區域106。在一些實施例中，隔離區域104為摻雜區域例如(但不限於)p型摻雜區域。隔離區域104可指摻雜隔離區域。在一些實施例中，隔離區域104以離子佈植製程、擴散製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合形成。在一些實施例中，隔離區域104於隔離結構108之前形成。在一些其他的實施例中，隔離區域104於隔離結構108之後形成。在一些實施例中，每一隔離結構108被隔離區域104包圍。
根據一些實施例，如上所述，形成了各種電晶體。根據一些實施例，第4A-4E圖繪示出形成光感測元件製程中間階段的剖面圖。根據一些實施例，第4A-4E圖繪示出中間階段沿第2圖中線段I-I的剖面圖。
根據一些實施例，如第4A圖所繪示，閘極堆疊402形成於半導體基板100之前表面100a上。在一些實施例中，閘極堆疊402為傳輸電晶體110的一部分，其形成於前表面100a附近。在一些實施例中，閘極堆疊402包括閘極介電層404及閘極電極406。閘極介電層404由包括氧化矽、高介電常數介電材料、一或多種其他合適的材料、或上述之組合形成。閘極電極406可為多晶矽電極或金屬閘極電極。間隔物零件408可形成於閘極堆疊402的側壁上。如第2及4A圖所示，傳輸電晶體110亦包括摻雜區域120(或浮動擴散區域)。
本發明實施例可進行許多變化及/或修改。在一些 實施例中，閘極堆疊402為不同於傳輸電晶體的另一種電晶體。
根據一些實施例，如第3B及4B圖所示，沉積介電層102於半導體基板100的前表面100a上。介電層102可由氧化矽(silicon oxide)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、四乙氧基矽烷(tetraethylorthosilicate，TEOS)氧化物、磷矽酸鹽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、氟化矽玻璃(fluorinated silica glass，FSG)、碳摻雜氧化矽(carbon doped silicon oxide)、非晶質氟化碳(amorphous fluorinated carbon)、低介電常數介電材料、一或多種合適的材料、或上述之組合形成，或包括上述材料。低介電常數介電材料可具有小於約3.9或小於約2.8的介電常數(k值)。
在一些實施例中，沉積介電材料層於前表面100a上以覆蓋閘極堆疊402。介電材料層可使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)製程、旋轉塗佈(spin-on)製程、噴塗(spray coating)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合形成。在一些實施例中，施加平坦化製程於介電材料層上。於是形成具有大抵平坦頂表面的介電層102。平坦化製程可包括化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程、研磨(grinding)製程、乾研磨(dry polishing)製程、蝕刻製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合。
在一些實施例中，進行平坦化製程直至露出閘極 堆疊402的頂表面。在一些實施例中，閘極堆疊402為虛置閘極堆疊。可使用閘極置換製程以形成金屬閘極堆疊。可移除閘極介電層404及/或閘極電極406以於間隔物零件408之間留下凹部。之後，於凹部中形成閘極介電層、一或多層功函數層、及/或金屬填充層以形成金屬閘極堆疊。在一些實施例中，金屬閘極堆疊的頂表面大抵與介電層102的頂表面共平面。在一些其他實施例中，金屬閘極堆疊填充凹部的較低部分。可於金屬閘極堆疊上形成硬罩幕零件以填充凹部。在一些實施例中，硬罩幕零件的頂表面大抵與介電層102的頂表面共平面。
根據一些實施例，如第3C及4C圖所繪示，光反射零件304形成於介電層102之上。在一些實施例中，光反射零件304大抵覆蓋半導體基板100的前表面100a。在一些實施例中，設計光反射零件304以能夠反射在特定波段中的光。在一些實施例中，光反射零件304能夠反射紅光。在一些實施例中，光反射零件304能夠反射不可見光。在一些實施例中，光反射零件304能夠反射紅外線(infrared，IR)光或近紅外光。
在一些實施例中，光反射零件304為分散式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)。分散式布拉格反射器結構為具有不同折射率(refractive index)的多層交替材料所形成之結構，或透過某些特徵(例如厚度)周期性的變化，以致有效折射率周期性的變化。每一層的邊界造成部分反射。許多反射結合而建設性干涉，並且這些層可作為高品質的反射器。
在一些實施例中，光反射零件304包括多對介電層的堆疊。在一些實施例中，光反射零件304包括第一對介電層， 其包括介電層302A及302B。光反射零件304亦包括第二對介電層，其包括302C及302D。
在一些實施例中，介電層為具有不同折射率的多層交替材料。在一些實施例中，介電層302A具有與介電層302B不同的折射率。在一些實施例中，介電層302A具有比介電層302B大的折射率。在一些實施例中，介電層302A具有比介電層102大的折射率。
在一些實施例中，介電層302A具有與介電層302B不同的厚度。在一些實施例中，具有較大折射率之介電層302A比具有較小折射率之介電層302B薄。然而，本發明實施例並不限於此。在一些其他實施例中，介電層302A與介電層302B大抵等厚度。
在一些實施例中，第二對介電層與第一對介電層相似或相同。在一些實施例中，介電層302C具有與介電層302D不同的折射率。在一些實施例中，介電層302C具有比302D大的折射率。
在一些實施例中，介電層302C具有與介電層302D不同的厚度。在一些實施例中，具有較大折射率之介電層302C比具有較小折射率之介電層302D薄。在一些實施例中，根據所要感測之光的波段調整厚度。在一些實施例中，每一介電層具有大抵等於波長與折射率之比的四分之一的厚度。然而，本發明實施例並不以此為限。在一些其他實施例中，介電層302C大抵與介電層302D等厚度。
在一些實施例中，介電層302C具有與介電層302A 大抵相等的折射率。在一些實施例中，介電層302A及302C以相同材料形成。在一些實施例中，介電層302D具有與介電層302B大抵相等的折射率。在一些實施例中，介電層302B及302D以與介電層302A或302C不同的材料形成。
在一些實施例中，介電層302A及302C以含碳材料形成，或包括含碳材料。含碳材料可包括碳化矽(silicon carbide)、碳氮化矽(silicon carbon nitride)、一或多種其他合適的材料、或上述之組合。在一些實施例中，介電層302B及302D由氧化物材料形成，或包括氧化物材料。氧化物材料可包括氧化矽(silicon oxide)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、一或多種其他合適的材料、或上述之組合。
在一些實施例中，介電層302A與介電層302B直接接觸。在一些實施例中，介電層302C與介電層302D直接接觸。在一些實施例中，介電層302A及302B的界面303A大抵平行於前表面100a及/或背表面100b。在一些實施例中，背表面100b用以作為光接收表面。入射光可從背表面100b進入半導體基板100然後由光感測區域106感測。
在一些實施例中，介電層302B及302C之間的界面303B及介電層302C及302D之間的界面303C大抵平行於界面303A。因此，界面303B或303C亦可大抵平行於半導體基板100的背表面(或光接收表面)100b。
在一些實施例中，以依序沉積介電層302A-302D形成光反射零件304。在一些實施例中，每一介電層302A-302D以化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、原子 層沉積(atomic layer deposition，ALD)製程、旋轉塗佈(spin-on)製程、噴塗(spray coating)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合沉積。在一些實施例中，介電層302A-302D於同一製程腔室中依序沉積。在形成光反射零件304時，反應氣體可能不同。於是，形成具有不同材料及/或不同厚度的各種膜層。在一些其他實施例中，介電層302A-302D在不同製程腔室中依序沉積。舉例而言，在形成介電層302A之後，半導體基板100轉移至另一製程腔室以接續形成介電層302B。
根據一些實施例，如第4D圖所繪示，接著形成導電接點以電性連接電晶體110。在一些實施例中，移除部分光反射零件304及介電層102。可使用一或多道光微影製程及沉積製程以形成接點開口，其露出閘極電極406及/或摻雜區域120。在一些實施例中，於接點開口中形成導電接點410A及410B。在一些實施例中，導電接點410A完全穿透介電層302A-302D並電性連接閘極堆疊402的閘極電極406。在一些實施例中，導電接點410B完全穿透介電層302A-302D並電性連接電晶體110的摻雜區域120(或源極/汲極特徵)。
在一些實施例中，沉積一或多種導電材料於光反射零件304之上以填充接點開口。之後，進行平坦化製程以移除接點開口外的導電材料，直至露出光反射零件304。接點開口中剩下的導電材料部份形成導電接點例如導電接點410A及410B。在一些實施例中，導電接點410A的頂表面411A或導電接點410B的頂表面411B與光反射零件304的表面304S大致共 平面。
一或多種導電材料可包括銅(copper)、鎢(tungsten)、鋁(aluminum)、金(gold)、鉑(platinum)、鈦(titanium)、鈷(cobalt)、一或多種其他合適的材料、或上述之組合。一或多種導電材料可使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、電鍍(electroplating)製程、無電鍍(electroless plating)製程、一或多種適合的製程、或上述之組合沉積。
根據一些實施例，如第3D及4E圖所繪示，形成內連線結構306於光反射零件304及導電接點411A及411B之上。在一些實施例中，內連線結構306包括多層介電層堆疊。內連線結構306亦包括各種導電特徵。導電特徵包括例如多個水平內連線如導線，及多個垂直內連線如導電導孔插塞及/或導電接觸插塞。內連線結構306的導電特徵形成電性連接至形成於半導體基板100之中或之上的元件零件。元件零件可為形成於半導體基板100之中或之上的摻雜區域。另外，元件零件可為形成於半導體基板100之上或之中的閘極電極。在一些實施例中，如第4E圖所繪示，其中一個導電特徵，例如導電線412，電性連接至導電接點410B。
在一些實施例中，透過內連線結構306中的導電特徵，不同元件零件內連以形成積體電路元件。積體電路元件包括例如光感測元件、邏輯元件、記憶體元件(例如靜態隨機存取記憶體(static random access memory，SRAM)及/或動態隨機 存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM))、射頻(radio frequency，RF)元件、輸入/輸出(input/output，I/O)元件、系統單晶片(system-on-chip，SoC)元件、其他合適的元件、或上述之組合。
在一些實施例中，內連線結構306的多層介電層由氧化矽(silicon oxide)、氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、四乙氧基矽烷(tetraethylorthosilicate，TEOS)氧化物、磷矽酸鹽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、氟化矽玻璃(fluorinated silica glass，FSG)、碳摻雜氧化矽(carbon doped silicon oxide)、非晶質氟化碳(amorphous fluorinated carbon)、低介電常數介電材料、一或多種合適的材料、或上述之組合形成，或包括上述材料。低介電常數介電材料可具有小於約3.9或小於約2.8的介電常數(k值)。在一些實施例中，內連線結構306的導電特徵由銅(copper)、鋁(aluminum)、鎢(tungsten)、鈷(cobalt)、鈦(titanium)、鎳(nickel)、金(gold)、鉑(platinum)、其他合適的材料、或上述之組合形成，或包括上述材料。內連線結構306的形成可涉及多道沉積製程、光微影製程、蝕刻製程、平坦化製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合。
根據一些實施例，如第3E圖所繪示，結合第3D圖所繪示的結構至載體基板109上。在一些實施例中，附著層107用以將內連線結構與載體基板109結合。在一些實施例中，載體基板109由半導體材料、介電材料、金屬材料、一或多種其他合適材料，或上述之組合形成，或包括上述材料。在一些實 施例中，未形成附著層107。載體基板109直接結合至內連線結構306上。在一些其他實施例中，載體基板109為包含多個主動元件及/或被動元件的半導體晶圓。
根據一些實施例，如第3F圖所繪示，薄化半導體基板100。在一些實施例中，載體基板109用以支撐，且施加薄化製程於半導體基板100的背表面100b上以薄化半導體基板100。在一些實施例中，薄化製程包括化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程、研磨(grinding)製程、蝕刻製程、乾研磨(dry polishing)製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合。第3F圖所繪示的結構可用於背照式影像感測元件或背照式光感測元件。在薄化製程後，背表面100b可用以作為光接收表面。
然而，本發明實施例可進行許多變化及/或修改。在一些其他實施例中，未薄化半導體基板100。在一些實施例中，載體基板109未與內連線結構306結合。
本發明實施例可進行許多變化及/或修改。在一些實施例中，在薄化半導體基板100後，部分隔離區域104從背表面100b移除，以形成溝槽。之後，在溝槽中形成隔離特徵(例如深溝槽隔離特徵)以改善鄰近光感測區域106的電性隔離。
根據一些實施例，如第3G圖所繪示，形成抗反射塗(anti-reflection coating，ARC)層362及緩衝層364於半導體基板100的背表面100b上。抗反射塗層362可用以減少從半導體基板100的背表面100b的光學反射，以確保大部分進入光感測區域106的入射光被感測。
抗反射塗層362可由高介電常數材料、介電材料、一或多種其他合適的材料、或上述之組合形成，或包括上述材料。高介電常數材料可包括氧化鉿(hafnium oxide)、氧化鉭(tantalum oxide)、氧化鋯(zirconium oxide)、氧化鋁(aluminum oxide)、一或多種其他合適的材料，或上述之組合。介電材料可包括例如氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、一或多種合適的材料、或上述之組合。
緩衝層364可用以作為抗反射塗層362與隨後形成的覆蓋層之間的緩衝。緩衝層364可由介電材料或一或多種合適的其他材料形成。舉例而言，緩衝層364由氧化矽(silicon oxide)、氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、一或多種其他合適的材料、或上述之組合形成。
抗反射塗層362及緩衝層364可一同作為平坦化層以利後續製程。抗反射塗層362及緩衝層364可使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、旋轉塗佈(spin-on)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合依序沉積於半導體基板100上
本發明實施例可進行許多變化及/或修改。在一些實施例中，未形成抗反射塗層362。在一些其他實施例中，未形成緩衝層364。在一些其他實施例中，抗反射塗層362及緩衝層364均未形成。
根據一些實施例，如第3H圖所繪示，形成反射柵(reflective grid)308於緩衝層364上。反射柵308可用以反射入 射光。反射柵308可定義多個凹部。每一凹部可與對應的光感測區域106對齊。在一些實施例中，反射柵308由金屬材料形成，或包括金屬材料。在一些實施例中，反射柵308由鋁(aluminum)、銀(silver)、銅(copper)、鈦(titanium)、金(gold)、鉑(platinum)、鎢(tungsten)、鈷(cobalt)、鉭(tantalum)、氮化鉭(tantalum nitride)、一或多種其他合適的材料、或上述之組合形成，或包括上述材料。
在一些實施例中，沉積一或多種金屬材料層於緩衝層364之上，且接著圖案化以形成反射柵308。一或多種材料層可由物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、電鍍(electroplating)製程、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、無電鍍(electroless plating)製程、一或多種適合的製程、或上述之組合沉積。
之後，根據一些實施例，如第3H圖所繪示，沉積介電層310於反射柵308之上以超填(overfill)反射柵308所定義的凹部。在一些實施例中，介電層310與反射柵308直接接觸。然而，在一些其他實施例中，介電層310未與反射柵308直接接觸。可形成一或多層其他材料層於反射柵308及介電層310之間。
在一些實施例中，介電層310為透明層。在一些實施例中，介電層310由氧化矽(silicon oxide)、氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、一或多種其他合適的材料、或上述之組合形成，或包括上述材料。介電層310可使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、旋轉 塗佈(spin-on)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、一或多道其他合適的製程、或上述之組合沉積。
根據一些實施例，如第3I圖所繪示，過濾零件312A及312B形成於介電層310之上。在一些實施例中，如第3I圖所示，過濾零件312A及312B與相應的光感測區域106對齊。過濾零件312A及312B可為濾色零件。在一些實施例中，相近的過濾零件312A及312B可具不同顏色。過濾零件312A及312B可由染料基聚合物(或顏料基聚合物)形成，或包括染料基聚合物(或顏料基聚合物)。
在一些實施例中，使用旋轉塗佈(spin-on)製程、噴塗(spray coating)製程、一或多種其他合適的製程、或上述之組合形成過濾層於介電層310上。過濾層亦可為光敏層或光阻層。因此，可接著進行曝光及顯影操作以圖案化過濾層。結果，形成過濾零件312A。相似地，可以類似方法接著形成不同顏色的過濾零件312B。在一些實施例中，使用熱操作以輔助過濾零件312A及312B的形成。
根據一些實施例，如第3I圖所繪示，透鏡零件314個別形成於過濾零件312A及312B之上。每一透鏡零件314與相應的光感測區域106對齊。透鏡零件314用以導引入射光通過相對應的過濾零件如過濾零件312A或312B至相對應的光感測區域106。反射柵308亦可用以集中過濾的入射光至相對應的光感測區域106。
在一些實施例中，光感測區域106對於紅光或具有較長波長的不可見光(例如近紅外光)具有相對小的吸收係數。 結果，紅光相較於其他顏色例如綠或藍可能具有較低的量子效率(quantum efficiency，QE)。對於使用近紅外線感測的弱光或暗環境的應用而言，由於波長比紅光更長，相應的量子效率可能甚至更低。在一些情況下，雖然可增加半導體基板100的厚度以提供更長的吸收深度(absorption depth)以改善紅光或近紅外光的吸收，製程困難度可能增加。對於其他顏色的量子效率亦可能有負面影響。
在一些實施例中，由於光反射零件304之故，特定波長範圍的光(例如紅光或近紅外光)被反射並再一次被相應的光感測零件106感測。因此，波長較長的光之量子效率顯著改善。由於光反射零件304覆蓋整個光感測區域106，更多的反射光再一次被相應的光感測區域106感測，改善了光感測元件的效能。
本發明實施例可進行許多變化及/或修改。根據一些實施例，光反射零件304可進行一些變化及/或修改。
根據一些實施例，第5圖繪示出光感測元件之光反射零件的剖面圖。在一些實施例中，光反射零件304中具有多於兩對的介電層。如第5圖所繪示，光反射零件304進一步包括一或多對的介電層，包括介電層302E、302F、302G、及302H。在一些實施例中，介電層302E及302G與介電層302A或302C以相同的材料形成。在一些實施例中，介電層302E或302G大抵與介電層302A或302C等厚。在一些實施例中，介電層302F及302H與介電層302B或302D以相同的材料形成。在一些實施例中，介電層302F及302H大抵與介電層302B或302D等厚。
本發明實施例可進行許多變化及/或修改。在一些實施例中，光反射零件304中的每一介電層具有大抵相同的厚度。
本發明實施例形成具有光反射零件的光感測元件。光反射零件包括多對介電層堆疊。每一對介電層具有第一介電層及第二介電層，且第一介電層與第二介電層具有不同的折射率。根據於光反射零件的介電層之材料或厚度而定，光反射零件能反射具有較長波長的光，例如紅光、近紅外光、或不可見光。半導體基板中的光感測區域位於半導體基板的光反射零件及光接收表面之間。因此，從光接收表面而來的光可被光感測區域感測，並接著被光反射零件反射。因此，反射光再次穿透光感測區域，並再次被光感測區域感測。量子效率因而改善。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，包括半導體基板及位於半導體基板中的光感測區域。光感測元件亦包括位於半導體基板之上的光反射零件。光感測區域介於光反射零件及半導體基板之光接收表面之間。光反射零件包括多對介電層之堆疊，每一對介電層具有第一介電層及第二介電層，且第一介電層具有與第二介電層不同的折射率。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，更包括位於半導體基板的光接收表面上的透鏡零件。透鏡零件與光感測區域對齊，且光感測區域位於透鏡零件及光反射零件之間。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，其中光反射零件大抵覆蓋半導體基板的前表面，且前表面與半導體基 板的光接收表面相對設置。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，其中第一介電層以含碳材料形成，且第二介電層以氧化材料形成。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，其中第一介電層與第二介電層直接接觸。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，更包括完全穿透光反射零件的導電接點。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，其中第一介電層較第二介電層薄，且第一介電層之折射率大於第二介電層。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，更包括光反射零件及光接收表面之間的電晶體。導電接點與電晶體的源極/汲極零件或閘極堆疊電性連接。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，其中位於第一介電層與第二介電層之間的界面與半導體基板的光接收表面大抵平行。
如本發明一些實施例所述之光感測元件，更包括內連線結構。光反射元件位於光感測區域及內連線結構之間。
如本發明另一些實施例所述之光感測元件，包括半導體基板及半導體基板中的光感測區域。光感測元件亦包括位於半導體基板上的光反射零件。光感測區域位於半導體基板的光接收表面及光反射零件之間。光反射零件為能夠反射紅光或不可見光的介電層堆疊。光感測零件更包括完全穿透光反射零件的導電接點。
如本發明另一些實施例所述之光感測元件，其中介電層堆疊包括具有不同折射率的多層交替材料。
如本發明另一些實施例所述之光感測元件，更包括光反射零件及光接收表面之間的電晶體。導電接點與電晶體之源極/汲極零件或閘極堆疊電性連接。
如本發明另一些實施例所述之光感測元件，更包括位於光反射零件上的內連線結構。內連線結構的導電特徵與導電接點電性連接。
如本發明另一些實施例所述之光感測元件，其中導電接點的頂表面與光反射零件的表面大抵共平面。
如本發明又一些實施例所述之光感測元件的形成方法，包括形成光感測區域於半導體基板中。半導體基板具有前表面及與前表面相對設置的光接收表面。此方法亦包括形成第一介電層於前表面之上。此方法更包括形成第二介電層於第一介電層之上。第二介電層與第一介電層具有不同的折射率。第一介電層與第二介電層一同形成光反射零件或光反射零件的部分。
如本發明又一些實施例所述之光感測元件的形成方法，更包括在第一介電層形成之前，於半導體基板的前表面的附近形成電晶體。
如本發明又一些實施例所述之光感測元件的形成方法，其中導電接點與電晶體的源極/汲極特徵電性連接。
如本發明又一些實施例所述之光感測元件的形成方法，更包括形成第三介電層於第二介電層之上，形成第四介 電層於第三介電層之上。第四介電層與第三介電層具有不同的折射率，且第一、第二、第三、第四介電層一同形成至少部份的光反射零件，及形成導電接點穿透第一、第二、第三、第四介電層。導電接點與電晶體的源極/汲極特徵電性連接。
如本發明又一些實施例所述之光感測元件的形成方法，更包括形成穿透第一介電層及第二介電層的導電接點。
上述內容概述許多實施例的特徵，因此任何所屬技術領域中具有通常知識者，可更加理解本發明實施例之各面向。任何所屬技術領域中具有通常知識者，可能無困難地以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程及結構，以達到與本發明實施例實施例相同的目的及/或得到相同的優點。任何所屬技術領域中具有通常知識者也應了解，在不脫離本發明實施例之精神和範圍內做不同改變、代替及修改，如此等效的創造並沒有超出本發明實施例的精神及範圍。
100:半導體基板
100a:前表面
100b:背表面
101:像素區域
102:介電層
104:隔離區域
106:光感測區域
107:附著層
108:隔離結構
109:載體基板
302A、302B、302C、302D:介電層
303A、303B、303C:界面
304:光反射零件
306:內連線結構
308:反射柵
310:介電層
312A、312B:過濾零件
314:透鏡零件
362:抗反射層
364:緩衝層

Claims (10)

  1. 一種光感測元件，包括：一半導體基板；一光感測區域，位於該半導體基板中；一光反射零件，位於該半導體基板之上，其中該光感測區域位於該光反射零件和該半導體基板之一光接收表面之間，該光反射零件包括多對介電層之一堆疊，該多對介電層之每一者具有一第一介電層及一第二介電層，其中該第一介電層具有一含碳材料，並且該第二介電層具有一氧化材料，且該第一介電層的一折射率大於該第二介電層的一折射率；以及一導電接點，完全穿透該光反射零件。
  2. 如請求項1之光感測元件，更包括位於該半導體基板的該光接收表面上的一透鏡零件，其中該透鏡零件與該光感測區域對齊，且該光感測區域位於該透鏡零件和該光反射零件之間。
  3. 一種光感測元件，包括：一半導體基板；一光感測區域，位於該半導體基板中；一光反射零件，位於該半導體基板之上，其中該光感測區域位於該半導體基板之一光接收表面和該光反射零件之間，且該光反射零件為能夠反射一紅光或一不可見光的一介電層堆疊，其中該光反射零件具有在該光感測區域上方的一第一介電層和在該第一介電層上方的一第二介電層， 其中該第一介電層具有一含碳材料，並且該第二介電層具有一氧化材料；以及一導電接點，完全穿透該光反射零件。
  4. 一種光感測元件的形成方法，包括：在一半導體基板中形成一光感測區域，其中該半導體基板具有一前表面和與該前表面相對設置的一光接收表面；在該前表面之上形成一第一介電層；以及在該第一介電層之上形成一第二介電層，其中該第二介電層的一折射率小於該第一介電層的一折射率，且該第一介電層與該第二介電層一同形成一光反射零件的至少一部分。
  5. 如請求項4之光感測元件的形成方法，更包括在該第一介電層形成之前，於該半導體基板的該前表面的附近形成一電晶體。
  6. 如請求項5之光感測元件的形成方法，更包括：在該第二介電層之上形成一第三介電層；在該第三介電層之上形成一第四介電層，其中該第四介電層之一折射率與該第三介電層之一折射率不同，且該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層、該第四介電層一同形成該光反射零件的至少一部分；以及形成穿透該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層、該第四介電層的一導電接點，其中該導電接點與該電晶體的一源極/汲極特徵電性連接。
  7. 一種光感測元件，包括： 一半導體基板；一光感測區域，位於該半導體基板中；一光反射零件，位於該半導體基板之上，其中該光感測區域位於該半導體基板之一光接收表面和該光反射零件之間，該光反射零件包括一第一介電層和一第二介電層，該第一介電層具有一含碳材料，並且該第二介電層具有一氧化材料，該第一介電層的一折射率大於該第二介電層的一折射率，且該光反射零件能夠反射一可見光譜之外的光；一閘極堆疊，在該光反射零件和該光接收表面之間，其中該光反射零件的一部分直接在該閘極堆疊之上並與該閘極堆疊直接接觸；以及一導電接點，被該光反射零件的該部分圍繞並與該光反射零件直接接觸。
  8. 一種光感測元件的形成方法，包括：在一半導體基板中形成一光感測區域，其中該半導體基板具有一前表面和與該前表面相對設置的一光接收表面；在該前表面之上形成一第一介電層；在該第一介電層之上形成一第二介電層，其中該第二介電層的一折射率小於該第一介電層的一折射率，且該第一介電層與該第二介電層一同形成一光反射零件的至少一部分；部分移除該第一介電層和該第二介電層，以形成一接點開口；以及形成一導電接點以至少部分地填充該接點開口。
  9. 一種光感測元件的形成方法，包括：在一半導體基板中形成一光感測區域；在該半導體基板之上形成一絕緣層和一閘極堆疊，其中，該絕緣層圍繞該閘極堆疊；在該絕緣層和該閘極堆疊之上形成一第一介電層；在該第一介電層之上形成一第二介電層，其中該第二介電層的一折射率小於該第一介電層的一折射率，且該第一介電層與該第二介電層一同形成一光反射零件的至少一部分；部分移除該第一介電層和該第二介電層，以形成一接點開口；以及形成一導電接點以至少部分地填充該接點開口，其中該導電接點與該閘極堆疊電性連接。
  10. 一種光感測元件的形成方法，包括：在一半導體基板中形成一光感測區域；形成一源極/汲極零件，該源極/汲極零件至少部分地在該半導體基板中；在該光感測區域和該源極/汲極零件之上形成一第一介電層；在該第一介電層之上形成一第二介電層，其中該第二介電層的一折射率小於該第一介電層的一折射率，且該第一介電層與該第二介電層一同形成一光反射零件的至少一部分；部分移除該第一介電層和該第二介電層，以形成一接點開 口；以及形成一導電接點以至少部分地填充該接點開口，其中該導電接點與該源極/汲極零件電性連接。
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